[0001] Die Erfindung betrifft einen mehrteiligen Ölabstreifring für Kolben von Verbrennungsmotoren
mit zwei aus Stahlband bestehenden Lamellen mit parallelen Flanken, deren Laufflächen
jeweils eine ballig asymmetrische Form mit einer über den Umfang der Lamellen erstreckenden
Scheitelpunktlinie aufweisen, sowie einer zwischen den Lamellen angeordneten Spreizfeder,
welche die Lamellen sowohl axial gegen jeweils eine der Flanken einer Ringnut im Kolben
als auch radial gegen die Zylinderwand drückt.
[0002] Um zu verhindern, dass zuviel Motoröl in den Brennraum gelangt, was neben einem hohen
Ölverbrauch auch negative Auswirkungen auf das Emissionsverhalten des Motors zur Folge
hat, ist eine ausreichende Tangentialkraft der Ölabstreifringe zur Erzeugung einer
radialen Anpressung an die Zylinderwand und damit einer guten Ölabstreifwirkung notwendig.
Das bewirkt jedoch eine hohe Flächenpressung an den Laufflächen der Stahl-Lamellen
und damit auch eine hohe Reibleistung im Motorbetrieb. Diese Reibleistung verschlechtert
den Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors und erhöht demzufolge den Kraftstoffverbrauch.
Die Auslegung der Tangentialkraft der Ölabstreifringe ist deshalb immer ein Kompromiss
zwischen minimaler Reibleistung und maximaler Ölabstreifwirkung. Sämtliche Maßnahmen
zur Verminderung der Reibleistung im motorischen Betrieb ohne Reduzierung der Tangentialkraft
erleichtern somit die Auslegung der Ölabstreifringe bzw. verbessern den Wirkungsgrad
des Motors.
[0003] Dementsprechend wurde für gattungsgemäße Ölabstreifringe neben einer speziellen Gestaltung
der Spreizfeder versucht, die Laufflächen der Lamellen derart zu formen, dass diese
den vorgenannten Forderungen gerecht werden. Bekannt sind u.a. zur Zylinderwand planparallel
verlaufende Laufflächen, wie in der
US 3,738,668 angegeben, auch Laufflächenkonturen, die symmetrisch ballig ausgeführt sind, wie
in der
DE 36 38 728 A1 beschrieben. Mehrteilige Ölabstreifringe mit symmetrisch ballig ausgeführten Laufflächen
der Lamellen werden dabei in beliebiger, d.h. nicht orientierter Einbaulage im Kolben
montiert.
[0004] Asymmetrische Laufflächen von Ölabstreifringen bzw. Kolbenringen sind aus der
DE 38 33 322 A1,
DE 43 00 531 C1 oder
DE 44 29 649 C2 bekannt. Ebenso ist aus der
US 6,039,321 A ein aus zwei Lamellen und einer zickzackförmigen Spreizfeder gebildeter Ölabstreifring
bekannt, dessen Laufflächen ballig asymmetrisch ausgebildet sind. Ein ähnlicher Ölabstreifring,
jedoch unter Verwendung einer anders artig geformten Spreizfeder, ist aus der
FR 2 723 401 bekannt. Diese Ausführungsformen sind jedoch nur auf Einzelringe bezogen, wobei Angaben
bezüglich möglicher Einbaulagen in Bezug zu mehrteiligen Ölabstreifringen den Schriften
nicht entnommen werden können.
[0005] Es ist Aufgabe der Erfindung, einen mehrteiligen Ölabstreifring für einen Kolben
eines Verbrennungsmotors anzugeben, der gegenüber dem bekannten Stand der Technik
eine verbesserte Ölabstreifwirkung bei einem reduzierten Verschleiß der Lauffläche
aufweist.
[0006] Gelöst wird die Aufgabe, in dem die Laufflächen beider Lamellen derart ausgebildet
sind, dass sie eine ballig asymmetrische Form aufweisen, welche aus einem ersten und
einem zweiten parabolischen Abschnitt bestehen, wobei der zweite parabolische Abschnitt
eine stärkere Krümmung aufweist als der erste.
[0007] Die Laufflächen der Lamellen zeichnen sich des weiteren durch eine asymmetrische
Neigung mit einer gegenüber dem Stand der Technik stark reduzierten Balligkeit aus,
wobei die Laufflächenkontur näherungsweise durch ein Polynom 2. Ordnung beschrieben
werden kann.
[0008] In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Laufflächen der Lamellen mit
ihren Scheitelpunktlinien jeweils gleichsinnig zur kolbenbodenabgewandten Ringnutflanke
hin orientiert.
[0009] Durch die erfindungsgemäße Laufflächengestaltung und der Anordnung der Lamellen zueinander
wird durch eine günstigere hydrodynamische Bedingung an einer der beiden Lamellen
eine Verminderung der Reibleistung des gesamten Stahlband-Ölabstreifringes ohne eine
Reduzierung der Tangentialkraft erreicht, wobei die ölabstreifende Funktion der anderen
Lamelle hierbei in vollem Umfang erhalten bleibt.
[0010] Die Reduzierung der Reibleistung bewirkt dadurch eine Verbesserung des Wirkungsgrades
des Motors oder es kann durch eine Erhöhung der Tangentialkraft bei unverändertem
Reibleistungsniveau das Ölabstreifverhalten verbessert werden.
[0011] Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
[0012] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen
- Fig. 1
- einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Ölabstreifringes in einer ersten Ausführung,
und
- Fig. 2
- einen Querschnitt des erfindungsgemäßen Ölabstreifringes in einer zweiten Ausführung.
[0013] Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besteht ein mehrteiliger Ölabstreifring 10 aus zwei Stahlband-Lamellen
1 und 2 und einer Spreizfeder 4, welche die Lamellen sowohl axial gegen jeweils eine
der Flanken 5 und 6 der Ringnut 7 im Kolben als auch radial gegen die Zylinderwand
8 drückt. Die Ringnutflanke 5 stellt die kolbenbodenseitige und die Ringnutflanke
6 die dem Kolbenboden abgewandte Seite dar. Erfindungsgemäß weist die Lamelle 1 eine
ballig asymmetrische geformte Lauffläche h mit einer über den Umfang der Lamelle erstreckenden
Scheitelpunktlinie 3 und die Lamelle 2 eine ballig asymmetrische Lauffläche h' mit
einer Scheitelpunktlinie 3' auf, wobei die jeweiligen Scheitellinien 3, 3' als in
Kontakt zur Zylinderwand 8 stehende Kanten zum Ölabstreifen wirken. In einem ersten
Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind die Lamellen 1 und 2 in ihrem montierten Zustand
im Kolben derart zueinander angeordnet, dass ihre Scheitellinien 3, 3' (Kanten) jeweils
in Richtung Mitte der Ringnut 7 ausgerichtet sind. Gemäß Fig. 1 soll diese Lamellenanordnung
als gegensinnig verstanden werden, hingegen nach Fig. 2 die Anordnung der Lamellen
zueinander als gleichsinnig zu verstehen ist. In diesem Ausführungsbeispiel sind beide
Scheitelpunktlinien 3, 3' (Kanten) von der kolbenbodenseitigen Ringnutflanke 5 weg
weisend zwischen der Spreizfeder 4 angeordnet.
[0014] Erfindungsgemäß haben die Laufflächen h und h' der Lamellen eine Form, die einem
Einlaufvorgang von mehreren hundert Stunden im Motorbetrieb entspricht. Diese ist
dadurch charakterisiert, dass die Laufflächen h, h' beider Lamellen 1 und 2 im Querschnitt
in einem ersten Abschnitt (I) näherungsweise der asymmetrischen Form eines Polynoms
2. Ordnung mit h(x)= ax + bx
2 folgt, wobei x= Laufflächenkoordinate im kartesischen Koordinatensystem in mm ist
und a, b Koeffizienten, mit a definiert durch das Verhältnis des axialen Flankenspiels
aF der Lamellen zur Breite B der Lamellen. aF = Abstand zwischen Ringnutflanke und
Lamelle, gemessen am Außendurchmesser der Ringnut (s. Fig. 2), B = Gesamtbreite der
Lamelle (s. Fig. 2); b definiert als Betrag der Laufflächenkrümmung; einem als Kante
ausgeführten tragenden Scheitel (II) h(x=0), und in einem dritten Abschnitt (III)
näherungsweise der asymmetrischen Form der Funktion h(x)= cx
2, mit c als einem Vielfachen von b, folgt. Als Beispiel für Lamellen mit einer Dicke
von 0,4 mm ergibt sich ein Wert h(x)= 35x + 50x
2. Damit sind die entsprechend Fig. 1 und 2 dargestellten Querschnittskurven mit x
als Laufflächenkoordinate in mm und h(x) als Balligkeit in µm erzielbar. Es ist verständlich,
dass die Koeffizienten dieses Polynoms auf die spezifische Anwendung abzustimmen sind,
wobei wesentliche Parameter hierbei der Zylinderdurchmesser, die Abmessungen des Lamellenquerschnittes,
die Gestaltung der Auflagen an der Spreizfeder und die axialen Spielverhältnisse des
eingebauten Stahlband-Ölabstreifringes in der Ringnut sind. Die typische Balligkeit
der Laufflächen h und h' nach der Erfindung betragen ca. 2 bis 10 µm/0,4 mm gegenüber
den Ausführungen nach dem Stand der Technik von 3 bis 15 µm/0,15 mm.
[0015] Funktionell ist die erfindungsgemäß verbesserte Ölabstreifwirkung dadurch gegeben,
dass die an den Laufflächen h, h' der Lamellen in Zylinderachsrichtung angreifende
Reibkraft ein Drehmoment erzeugt, welches die Lamellen tellerförmig verwölbt. Dies
ist möglich, weil die Gestaltung der Spreizfeder 4 eine Bewegung der Lamellen 1 und
2 in axialer Richtung vor allem an der inneren Auflage behindert, wohingegen an der
äußeren Auflage deutlich größere axiale Bewegungsamplituden möglich sind. Die Reibkraft
und damit das Drehmoment wechselt abhängig von der Hubrichtung des Kolbens das Vorzeichen.
Da die Höhe der Reibkraft noch geschwindigkeitsabhängig ist, hat dies eine ständige
Änderung der tellerförmigen Verwölbung zur Folge, bezeichnet als dynamisches Twisten.
Durch das dynamische Twisten erzeugt diejenige Lamelle, die je nach Hubrichtung an
einer der Nutflanken anliegt, in Kombination mit der asymmetrischen Neigung der Lauffläche
eine gute Ölabstreifwirkung - "Kante" trägt-, während die jeweils andere Lamelle aufgrund
der definierten Balligkeit der Lauffläche eine verbesserte Hydrodynamik aufweist -"Fläche"
trägt- , wie in Fig. 1 dargestellt. Dadurch reduziert sich die Reibleistung an dieser
Lamelle, welche in vertwistetem Zustand zudem noch eine schlechtere Ölabstreifwirkung
aufweist. Eine Änderung der Hubrichtung bewirkt ein Umklappen beider Lamellen in die
jeweils andere Lage, wobei an den beschriebenen Verhältnissen sich dadurch prinzipiell
nichts ändert.
[0016] Die lagerichtige Orientierung der Lamellen beim Zusammensetzen des mehrteiligen Stahlband-Ölabstreifringes
muss beachtet werden, die beispielsweise durch eine Farbmarkierung einer der Lamellenflanken
gewährleistet werden kann.
[0017] Die Herstellung der Laufflächenform- bzw. Kontur kann beispielsweise durch Läppen
erfolgen.
Bezugszeichen
[0018]
- 10
- Ölabstreifring
- 1
- Lamelle
- 2
- Lamelle
- 3
- Scheitelpunktlinie (Kante)
- 3'
- Scheitelpunktlinie (Kante)
- 4
- Spreizfeder
- 5
- kolbenbodenseitige Ringnutflanke
- 6
- kolbenbodenseitig abgewandte Ringnutflanke
- 7
- Ringnut
- 8
- Zylinderwand
- 9
- Kolben
- h, h'
- Laufflächen
- B
- Gesamtbreite der Lamelle
1. Mehrteiliger Ölabstreifring (10) für Kolben von Verbrennungsmotoren mit zwei aus Stahlband
bestehenden Lamellen (1, 2) mit parallelen Flanken, deren Laufflächen (h, h') jeweils
eine ballig asymmetrische Form mit einer über den Umfang der Lamellen erstreckenden
Scheitelpunktlinie (3, 3') aufweisen, sowie einer zwischen den Lamellen angeordneten
Spreizfeder (4), welche die Lamellen sowohl axial gegen jeweils eine der Flanken (5,
6) einer Ringnut (7) im Kolben als auch radial gegen die Zylinderwand (8) drückt,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Laufflächen (h, h') beider Lamellen (1, 2) im Querschnitt
- in einem ersten Abschnitt (I) der asymmetrischen Form einem Polynom 2. Ordnung mit
h(x)= ax + bx2 folgt, wobei
x = Laufflächenkoordinate im kartesischen Koordinatensystem in mm ist und a, b Koeffizienten,
mit a definiert durch das Verhältnis des axialen Flankenspiels (aF) der Lamellen zur
Breite (B) der Lamellen; b definiert als Betrag der Laufflächenkrümmung;
- einem als Kante ausgeführten tragenden Scheitel (II) h(x=0), und
- in einem dritten Abschnitt (III) der asymmetrischen Form der Funktion h(x)= cx2 , mit c als einem Vielfachen von b, folgt.
2. Mehrteiliger Ölabstreifring nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheitelpunktlinien (3, 3') der Laufflächen (h, h') der Lamellen jeweils gleichsinnig
zur kolbenbodenabgewandten Flanke (6) der Ringnut (8) hin orientiert sind.
3. Mehrteiliger Ölabstreifring nach Anspruch 1, dass die Laufflächen (h, h') beider Lamellen
(1, 2) derart ausgebildet sind, dass sie einer verschleißnahen Endkontur im eingelaufenen
Motorzustand entsprechen, wobei im montierten Zustand des Ölrings (10) im Kolben die
Scheitelpunktlinien (3, 3') der Laufflächen (h, h') jeweils gegensinnig zur Mitte
der Ringnut (3) hin orientiert sind.
1. Multipart oil wiping ring (10) for pistons of internal combustion engines, having
two lamellae (1, 2) consisting of steel strips and having parallel walls, the working
surfaces (h, h') of which each have a spherical-like asymmetrical shape with a vertex
line (3, 3') that extends over the circumference of the lamellae, as well as an expanding
spring (4) arranged between the lamellae, which presses the lamellae both axially
against one of the walls (5, 6) of an annular groove (7) in the piston as well as
radially against the cylinder wall (8),
characterised in that
the working surfaces (h, h') of the two lamellae (1, 2) in cross-section,
- follows the asymmetrical shape of a polynomial of the second order in a first segment
(I), with h(x)=ax+bx2, wherein
x = working surface coordinates in the Cartesian coordinate system in mm, and a, b
are coefficients, with a being defined by the ratio of the axial wall play (aF) of
the lamellae relative to the width (B) of the lamellae; b being defined as the extent
of the working surface curvature;
- a supporting vertex (II) h(x=0) configured as an edge, and
- in a third segment (III) follows the asymmetrical shape of the function h(x)=cx2, with c as a multiple of b.
2. Multipart oil wiping ring according to claim 1, characterised in that the vertex lines (3, 3') of the working surfaces (h, h') of the lamellae are oriented
in the same direction as the wall (6) of the ring groove (8) that faces away from
the piston crown.
3. Multipart oil wiping ring according to claim 1, characterised in that the working surfaces (h, h') of the two lamellae (1, 2) are designed so that they
correspond to a final contour approaching a condition of wear in the run-in state
of the engine, wherein the vertex lines (3, 3') of the working surfaces (h, h') are
each oriented in the opposite direction to the centre of the annular groove (3) in
the assembled state of the oil ring (10) in the piston.
1. Segment racleur d'huile (10) en plusieurs parties pour pistons de moteurs à combustion
interne, comprenant deux lamelles (1, 2) constituées de ruban d'acier avec des flancs
parallèles, lamelles dont les portées (h, h') présentent chacune une forme asymétrique
bombée avec une ligne de sommet (3, 3') s'étendant sur le pourtour des lamelles, ainsi
qu'un ressort écarteur (4) disposé entre les lamelles, lequel ressort presse les lamelles
aussi bien dans la direction axiale contre respectivement l'un des flancs (5, 6) d'une
gorge annulaire (7) du piston que dans la direction radiale contre la paroi du cylindre
(8),
caractérisé en ce que les portées (h, h') des deux lamelles (1, 2) obéissent en coupe transversale
- dans une première section (I) de la forme asymétrique à un polynôme du deuxième
degré avec h(x) = ax + bx2, x étant égal à la coordonnée des portées dans le système de coordonnées cartésien
en mm et a, b étant des coefficients, avec a défini par le rapport du jeu axial des
flancs (aF) des lamelles sur la largeur (B) de ces dernières ; b défini en tant que
valeur du cintrage des portées;
- à un sommet porteur (II) h(x = 0) réalisé sous forme d'arête, et
- dans une troisième section (III) de la forme asymétrique à la fonction h(x) = cx2, avec c en tant qu'un multiple de b.
2. Segment racleur d'huile en plusieurs parties suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les lignes de sommet (3, 3') des portées (h, h') des lamelles ont une orientation
respective de même sens en direction du flanc (6) opposé au fond de piston, de la
gorge annulaire (8).
3. Segment racleur d'huile en plusieurs parties suivant la revendication 1, caractérisé en ce que les portées (h, h') des deux lamelles (1, 2) sont configurées de telle sorte qu'elles
correspondent à un contour extrême proche de l'usure à l'état de démarrage du moteur,
les lignes de sommet (3, 3') des portées (h, h') étant orientées respectivement en
sens contraire en direction du centre de la gorge annulaire (3) à l'état de montage
du segment racleur (10) dans le piston.